褐煤低溫干燥特性實驗

孔祥雷，陳 軍，謝冬梅,馬 強，陳立海,單秀華

(承德石油高等專科學校 a.熱能工程系； b.石油工程系，河北 承德 067000)

能源不但是我國經濟建設重要的物質基礎，也是人類賴以生存的基本條件[1-3]。在2016—2022年間，能源行業在我國的地位仍然是不可動搖的，煤炭依舊是我國最為主要的傳統能源[4]。我國褐煤的煤化程度僅僅高于煤泥的精煤，煤化程度相對來說非常低，只介于泥炭與瀝青煤之間，是一種棕黑色、無光澤的低級煤。我國褐煤相比其他煤種通常具有“三高兩低”的特點[5]：水分高、揮發份高、灰分高、發熱量低、灰熔點低。由于褐煤的高水分，不僅會降低能源的利用率，而且還會增加產物中的粉塵、氮氧化物等氣體，增加了褐煤有效利用的難度。因此，褐煤低溫干燥預處理變得非常必要[6-8]。

1 煤樣的工業分析

實驗以不同粒徑的褐煤作為研究對象，實驗前進行了研磨和篩分，煤樣的工業分析根據GB/T 212—2008 進行測定。煤樣的理化性質見表1：

表1 原煤的理化性質工業分析

由表1可知，褐煤的收到基全水分含量高達28.68%，這在褐煤的開發和潔凈利用過程中造成了很大的影響。正因為褐煤中的高含水率，不但降低了褐煤的發熱量，而且降低了煤粉在鍋爐中的燃燒效率。綜合來看，褐煤的干燥預處理是非常有必要的。

2 實驗部分

2.1 實驗儀器

101A1E型電熱鼓風干燥箱，上海實驗儀器廠有限公司；ACS6D 型電子秤，上海精密科學儀器有限公司；日立TM3030掃描電子顯微鏡；JWBK132F型比表面積孔徑分析儀。

2.2 實驗步驟

1)將褐煤煤樣進行研磨，利用篩網篩分，分為6組，分別用自封袋進行密封保存，盡量減少水分在實驗外的損失；

2)把干燥箱的溫度分別調至100 ℃、120 ℃、140 ℃、160 ℃、180 ℃。將準備好的一組10 g煤樣平鋪到實驗用的稱量瓶中，將盛有煤樣的稱量瓶放進干燥器內進行干燥；

3)每干燥一段時間(10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min)取出煤樣放入干燥器內干燥至室溫，稱取干燥后煤樣的質量；

4)對5組褐煤煤樣重復進行以上的實驗步驟，并將干燥后的褐煤用密封袋常溫隔絕空氣密封，為后續實驗做準備；

3 結果與討論

3.1 溫度對褐煤干燥過程的影響

從圖1中的溫度曲線我們可以看出，隨著時間的延長，褐煤中的水分是逐漸減少的，100℃、120℃、140℃、160℃、180℃的不同溫度曲線最終含水量分別為9.89%、8.3%、4.89%、1.39%、1.1%，在有限時間內，隨著溫度的升高，褐煤的最終含水率降低與褐煤內大量的含氧官能團有關。我們可以斷定：在120℃之前，主要脫除的是外在水分和部分內在水，而且120℃之后，主要靠溫度來脫除被含氧官能團化學吸附的內在水分和結晶水。

從圖2中的每條溫度曲線可以得出：在每條干燥速率曲線上都存在升速階段和降速階段，干燥速率曲線中升速階段時間相對較短，并且是在初始階段，在這一階段褐煤外水含量較大，在溫度作用下，水分散失速率增大。當表面水分蒸發完畢，內部水分開始擴散到表面補充表面水分，但是內在水分不足以補充褐煤表面蒸發的水分，所以導致表面水分蒸發速率降低，即進入了降速階段。

圖1中100 ℃和120 ℃兩條曲線在20 min時存在非含水率正常下降的點，可能是由于測量誤差造成。而圖2中幾條曲線的出現了交叉現象，一方面是褐煤在研磨過程中粒度不均造成，另外一方面是儀器精度較低造成。

3.2 粒徑對褐煤干燥過程的影響

由圖3可以看出，三條干燥曲線走勢基本相同，都是隨著粒徑的降低，褐煤的干燥曲線是依次下降的，而最終達到水分平衡的時間也是依次減少的，最終的含水量分別3.47%，4.89%，5.78%，基本相差不是很大，在同等時間內，粒徑小的褐煤散失的水分更多一些。

從圖4可以看出，不同粒徑褐煤的干燥速率曲線基本相同，存在一個升速和一個降速階段，但是在20 min之后，曲線呈現了交叉現象，而且干燥速率相差并不是很大。

不同粒徑的褐煤失重主要原因如下：

1)從顆粒角度進行分析

褐煤顆粒在整個干燥的過程中，熱量的傳遞途徑是從顆粒外表面到顆粒中心，并且是以熱傳導方式進行的，而水分的散失途徑則是：從褐煤顆粒中心向外擴散到褐煤顆粒的表面，然后繼續散到周圍的環境中。在褐煤粒徑增大的同時，褐煤內的水分擴散到表面的路徑增加，在擴散過程中的阻力也會隨著粒徑的增大而增加。這樣，褐煤的干燥速率就會降低，這與其他學者的研究結論相同[9-10]。

2)從薄層干燥理論出發分析

三種不同粒徑褐煤，隨著顆粒的增大，使得器皿中的煤層的厚度增加，所以在相同干燥溫度下，加熱器皿中的煤層厚度越大，褐煤煤層中的內水分和外水分向環境散失的路徑變長，從而致使沿程阻力增加，最終導致褐煤的一部分水分散失受阻，這樣就使褐煤的干燥速率降低。

從整個干燥過程來看，從水分析出到褐煤水分達到平衡，降速階段所占比例更大一些，我們可以得出結論：在等溫干燥過程中，粒徑對于褐煤的干燥影響很小，在工業生產中，褐煤的粉碎研磨不用過細，以免造成能源的浪費。

4 結論

將褐煤在100 ℃、120 ℃、140 ℃、160 ℃、180 ℃下分別進行等溫干燥實驗，結果表明：

1)褐煤的干燥過程可以分為升速階段和降速階段且以降速階段為主；

2)加熱一定時間后，褐煤內的水分趨于一個穩定平衡狀態，只有繼續升高溫度，才能降低褐煤內的水分，溫度是褐煤水分擴散的動力；

3)褐煤粒徑減小到一定程度時，降低粒徑的大小，對褐煤的干燥特性影響并不顯著。